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- 번개의 막대한 에너지는 모래를 1천도 이상의 온도로 가열해 유리로 녹인다.
- 팀이 발견한 fulgurite의 경우 모래가 섭씨 1,710도까지 가열된 것
- 12중 대칭과 분자식 Mn68.9Si19.9Ni7.6Cr2.2Al1.4를 갖는 새로운 유형의 준결정 형성

번개가 만든 새로운 준결정

신비한 결정 형태는 강한 전기 방전에 의해 발생할 수도 있다.

'불가능한' 결정 구조:
연구원들이 강한 전기 방전에 의해 형성된 준결정을 처음으로 발견했다. 이 이국적인 12겹 대칭 구조는 유리화된 모래와 떨어진 전선에서 나온 금속으로 형성된 사구의 융합 구조인 섬전암(閃電巖 Fulgurite)으로 둘러싸여 있다. 분석 결과 이것이 이전에 알려지지 않은 준결정 형태라는 것이 밝혀졌다. 그는 섬전암에 발견되지 않은 다른 준결정이 있을 수 있다고 제안했다. 

▲ 융합된 모래와 이 섬전암 단면의 금속 부분 사이의 경계면에서 연구원들은 새로운 준결정을 발견했다. © Luca Bindi et al.

준결정은 그 구조가 결정 격자의 일반적인 패턴과 모순되기 때문에 오랫동안 불가능하다고 여겨졌다. 준결정은 모두 같은 대칭적 기본 단위가 아니라 서로 다른 기본 기하학적 모양으로 구성되어 있지만 여전히 일정한 질서를 보여준다. 지금까지 발견된 천연 준결정은 극소수에 불과하며 대부분 운석 충돌이나 원자폭탄 실험과 같은 극한 상황에서 형성되었다.

고전압에 의해 융합

Florence 대학의 Luca Bindi가 이끄는 연구원들은 완전히 다른 방식으로 형성된 준결정을 네브래스카 사구에서 우연히 처음으로 발견했다. 절단된 전선이 땅에 닿은 것이다. 풀구라이트(fulgurite)가 거기에 형성되었는데, 용융 유리화된 모래와 납 금속의 흔적으로 이루어진 관형 구조였다.

플래시 소결 또는 플래시 튜브라고도 하는 이러한 구조는 일반적으로 모래 심토에서 낙뢰에 의해 생성된다. 번개의 막대한 에너지는 모래를 1천도 이상의 온도로 가열해 유리로 녹인다. Bindi와 그의 팀이 발견한 fulgurite의 경우 모래가 섭씨 1,710도까지 가열되었다고 판단했지만 그것이 번개에 의한 것인지 아니면 단지 전선 때문인지는 불분명하다.

▲ 이 전자 현미경 사진은 새로운 준결정의 12중 대칭을 보여준다. © Luca Bindi et al.

섬전암의 12배 준결정

연구원들이 희끄무레한 섬전암을 더 면밀히 조사했을 때, 그들은 융합된 금속 구역과 규산염 유리 사이에 예상치 못한 결정 구조를 발견했다. 일부 입자는 전자 현미경과 X선 분광법으로 분석했을 때 "금지된" 12중 대칭을 보였다. Bindi와 그의 동료들은 "이 패턴은 12면체 준결정의 특징적인 특징"이라고 보고했다.

이에 따라 12중 대칭과 분자식 Mn68.9Si19.9Ni7.6Cr2.2Al1.4를 갖는 새로운 유형의 준결정이 풀구라이트에서 형성되었다. "10배 또는 20면체 대칭을 갖는 준결정과 비교할 때, 12배 준결정은 지금까지 매우 드물었다"고 연구원들은 설명했다. 새로 발견된 준결정은 균일한 간격으로 연속된 원자층으로 구성되어 있으며, 각 층은 12면체 대칭이며 준주기적으로 교대하는 기본 단위를 가지고 있다.

방전이 원인

새롭고 특이한 것은 이 준결정의 구조뿐만 아니라 그것이 형성되는 방식이기도 하다. "이것은 전기 방전에 의해 형성된 준결정의 첫 번째 예다"고 과학자들은 보고했다. 낙뢰 또는 절단된 선에서 나오는 전류는 지하 물질을 가열하고 충격을 주기에 충분한 에너지를 방출하여 이 새로운 수정 형태가 만들어졌다.

Bindi와 그의 동료들에 따르면 이것은 실험실에서 인공 준결정을 생성하는 새로운 접근 방식을 열어줄 뿐만 아니라 또한 이러한 "불가능한" 수정의 다른 미발견 변형이 자연에 숨어있을 수 있는 곳에 대한 단서를 제공한다.
(National Academy of Sciences 회보, 2022; doi:10.1073/pnas.2215484119)
출처: National Academy of Sciences 회보[더사이언스플러스=문광주 기자]

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